智能采摘机器人车体及采摘臂安全策略研究

周 伟（江苏农林职业技术学院,江苏 句容 212400）



智能采摘机器人车体及采摘臂安全策略研究

周 伟
（江苏农林职业技术学院,江苏 句容 212400）

摘 要：随着农业机械化程度进展，农业机器智能采摘已经达到广泛应用。然而相关领域的专业人才相对缺乏，相关毕业的专业的学生较少。本文以较为先进的智能采摘设备为研究对象，并且兼顾教学要求，设计了一款贴近实际并具有教学功能的智能采摘分拣机器人，为相关专业学生教学提供参考。

关键词：农业机器人；自动采摘；机器人教学

1 引言

机器人因其趣味性、功能的综合性和灵活性等特点，已成为目前职业院校自动化等相关专业重要的创新教育平台，并且越来越多地用于教学中。但从培养学生创新意识和能力方面来看一般比较难以找到合适的切入点和项目载体。国内的教育机器人品牌和种类都很多，从技术层面讲大多是以巡线和简单动作为主，动作单一，创新空间有限，另有一部分则是球类比赛机器人，功能较强，但其价格昂贵，许多类似高级玩具，创新空间同样有限。我们学院是一所农业类综合高职院，从我院的专业特点出发，本团队选择以果实采摘为项目载体，结合我们现有的机器人技术基础，研究设计了一款教学用智能采摘分拣机器人。

2 车体安全策略

2.1 车体安全简述

由于机器人整体自重为31.5kg，驱动电机最大负载转速为166r/ min，驱动轮外径为12cm，所以全速运动情况下若是车体失控撞击到场地上的立柱或人体，其破坏程度是比较大的。为了场地、人体及机器人自身车体的安全，需要设计车体安全策略。

2.2 车体安全策略

（1）硬件设计。本台机器人在硬件设计时选择加装了距离传感器和触觉传感器。

1）距离传感器。距离传感器的作用是检测车体前方障碍物的距离，并判断是否小于设定值，如果小于设定值，将降低机器人前进速度，保证车体和场地安全。本台机器人选择的距离传感器模块是HC-SR04超声波测距模块，本模块性能稳定，测度距离精确，盲区为2cm。其工作电压为DC5V，静态电流小于2mA ，电平输出：高5V、低0V ，感应角度≤15°，探测距离2cm-450cm，精度为0.3cm。其工作原理为：采用IO触发测距，给至少10us的高电平信号;由模块自动发送8个40khz的方波，自动检测是否有信号返回；有信号返回，通过IO输出一高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间．测试距离=(高电平时间*声速(340m/s))/2；

2）触觉传感器。触觉传感器的作用是当车体非常接近障碍物时，由于物理触碰导致相关电路出发，促使机器人紧急制动停车，避免对场地、车体和人员造成伤害。因为距离传感器在非常接近障碍物时会存在视觉盲区（如HC-SR04超声波测距模块盲区为2cm），所以触觉传感器的加装是很有必要的。本台机器人选择的触觉传感器模块是接触觉传感器，用于检测机器人的某些部位与外界接触与否，常用的有四种类型，即：金属圆顶式高密度接触觉传感器、碳纤维纸式高密度接触觉传感器、导电橡胶式接触觉传感器和导电橡胶丝式接触觉传感器。结合本台机器人实际工况，选择的是金属圆顶式高密度接触觉传感器。硬件电路设计时将四个金属圆顶式高密度接触觉传感器分别接在四个D触发器的输入端，用来产生触发信号，同时将控制单片机的外部中断0进行中断源扩展，四个传感器任意一个产生触发均要对驱动轮进行紧急制动。

（2）软件设计。

1）距离传感器部分。设计思路：开定时计数器1中断，做100ms定时，在中断服务子程序中检测前方障碍物与车体之间的距离（意为每100ms进行一次测距），具体为设置定时器0位方式1定时工作，设置初值为0，并启动。

主程序中开通外部中断1并设定为下降沿触发方式，由HC-SR04的输出信号作为触发信号，在中断服务子程序中读取定时计数器0的时间值并参照公式测试距离=(高电平时间*声速(340m/s))/2计算测试距离，同时，判断距离是否在安全范围，如果超出安全范围则减小PWM的占空比，降低采摘机器人运行速度。

2）触觉传感器部分。设计思路：主程序中开通外部中断0并设定为高优先级，下降沿触发方式，由4个触觉传感器的输出信号经过74LS22和74LS04作为触发信号，在中断服务子程序中通过对直流电机反接制动实现采摘机器人的紧急停车。

通常电机制动有3种方式：机械刹车，发电制动，和反接制动。其中制动最快的是反接制动，要求：1.单片机控制的电机驱动电路需要有电源反接功能，比如用4只晶体管组成的桥式电路，或者用继电器构成的正反转电路。2. 当需要制动时，控制电路将短路切换成电机反转状态，当电机转速降到0，要反转时停止供电。电机便停转。需要注意的是由于负载变化，从开始反接到电机速度降为0所需的时间不是固定不变的。结合本项目特点，选用反接制动实现采摘机器人的紧急停车。

3 采摘机械臂安全策略

采摘机械臂采用的是二自由度直角坐标结构，用车体行进取代了传统三自由度直角坐标结构中的Y向自由度，只保留有X向及Z向两个自由度，均采用丝杠滑块结构。如果任意一个自由度上的电机转动超出设定范围，那么该电机所带丝杠上的滑块必然会卡死在极限位置，这是对应的电机就会出现堵转现象导致电机烧坏，为了避免类似情况的出现，设计时在X向和Z向的四个极限位置上安装有四个行程开关，主程序中开通外部中断0并设定为高优先级，下降沿触发方式，由4个触觉传感器的输出信号经过74LS22和74LS04作为触发信号，在中断服务子程序中首先判断中断触发原因，即是那个行程开关触发的中断，然后对应转入相关中断服务子程序，使机械臂回归到0点位置。在此有必要解释一下，本台机器人的控制采用的是3块控制板主从结构控制，机械臂和车体行进分属不同控制板，所以不存在中断源的冲突。

4 总结

采摘机器人是一个比较复杂的综合性的产品，其安全性是所有指标中最为关键的部分，本团队通过大量的实验遴选出上述方案并加以实现，实践证明是可靠的。

参考文献：

[1]陈黎敏.传感器技术及其应用[M].北京：机械工业出版社,2009(01).

[2]胡汉才.单片机原理及应用[M].北京：清华大学出版社，2010(03).

DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.02.125